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Cropview以及Airphen多光谱物候研究系统

发布时间:2019-06-04 点击量:473

1.植物物候

植被物候是不同植被现象年复一年重现的时序节点(如发芽、展叶、开花、结果、衰老、休眠),是植被长期适应环境季节性变化的结果。其不仅是气候变化的重要感应器,在调控生态系统结构和功能变化中还扮演着重要的角色。植被物候反映了生态系统内物种的生存策略,其变化可能会加剧物种间的竞争关系,导致一些物种的入侵或退出,进而改变生态系统的结构。另一方面,植被物候还直接调控着碳循环,水的蒸发散,氮、磷等养分的矿化和吸收等诸多生态系统过程。因此,研究物候规律的特征及其对气候变化的响应对于变化研究和生态系统服务等具有理论和现实意义。植被物候与环境因子,尤其是与气象因子的关系极为紧密。气候变化显著改变了陆地生态系统的物候。目前,围绕物候变化与陆地生态系统生产力已经开展了很多研究,在传统的人工物候观测的基础上,不仅自动拍照技术得到了推广应用,通量观测和遥感技术也在物候研究中受到了广泛关注,观测尺度从叶片扩展到区域甚至。但基于不同观测技术获取的物候指标的内涵及其空间代表范围存在一定差异,并且同种技术中物候指标的提取方法也不尽相同。因此,不同区域和植被类型之间的研究结果尚存在较大差异,影响了对物候变化和生态系统生产力关系的客观认识与评价。

根据上述分析,有必要对植被物候观测技术与物候指标提取方法的研究进展进行系统梳理与总结。基于文献调研,本文介绍了目前物候观测主要采用的技术和物候指标的提取方法,在此基础上,基于观测数据对比分析了不同方法的差异,为系统和全面认识植被物候的获取提供借鉴和参考。

2. 植被物候观测研究的技术与途径

植被物候及其变化受到了长期的关注,并且在气候变化背景下,物候观测和研究的方法也日益发展和丰富。人类在较早时期便开始了对物候的观测,积累了许多植物物种长达几个世纪的观测数据。如9世纪日本京都地区就开始了樱花开花日期的记录。随着研究目的和对象尺度的不同以及研究技术的发展,在原有的人工观测的基础上,物候研究逐渐发展出了多种观测研究方法,包括近地遥感和卫星遥感的光谱特征、涡度相关通量的生态系统生产力以及模型估算等。

2.1 直接观测

2.1.1 人工记录

人工记录通过记录特定植物或种群生长与发育过程(发芽,展叶,叶片枯黄等)的出现日期进行物候的观测研究,是较为传统的方式。人工记录主要是采用一定的规范与标准,记载群落内关键或优势植物种群的展叶、开花和凋落等物候信息。同时,人工记录也包括各类书籍和资料中关于物候方面的记载。为研究气候变化背景下植物和群落的长期物候变化,以及重构过去气候等研究提供了重要的直接数据。目前,以人工记录方式为主要观测技术,国内外已形成了多个区域性的物候监测网络,如欧洲物候观测网、美国国家物候网、法国物候网、加拿大物候网, 以及中国物候观测网等。

人工记录是为直观、准确的物候获取方法。由于其可以得到植物发育过程中的各个物候,使得植物不同生长发育阶段的研究得以实现。但需要指出的是,一方面人工记录只能实现对群落内有限植物种的物候观测,同时,多区域的连续观测需要较多的人力投入;另一方面,不同观测人员的判断标准可能存在一定差别,特别是对于群落的人工记录更为明显,在准确反映整体群落或生态系统尺度的物候变化方面存在较大的不确定性。

2.1.2 相机拍摄

利用高分辨率数字相机可以实现对植物生长状况的连续观测。通过对单株植物的高频自动拍照和人工目测图像解译,提取和确定植物生长发育阶段等方面的信息,以获取植物的物候变化。

相对于人工记录方式,相机在安装和调试完成后,可自动运行,减少了人工成本以及人工观测带来的环境的破坏干扰。更为重要的是其可进行高频、连续的取样,避免了关键物候时期的遗漏

与人工记录方式相似,该方法也往往用于群落内有限物种的动态监测,对于物种丰富的群落而言,监测对象的增加需要较大的设备成本和人工投入。此外,对单个植株的自动拍照技术只能提取物种水平的物候信息,无法反映群落和生态系统尺度的物候变化。

2.2 间接提取

相对物候直接观测的对象为叶片、单株植物或种群,植被物候的间接获取则强调对生态系统植被冠层生长过程的整体观测。同时,相较于小范围和非连续的物候直接观测,间接提取途径往往基于连续观测数据获取长时间和大尺度的植被物候信息。

2.2.1 温度观测资料

温度作为热量的指标,在植被物候研究,特别是农作物生长发育中的应用非常普遍。长期以来,根据不同植物在不同季节的热量需求,发展出了界限温度、积温等不同的温度指标以反映植被的物候变化。例如,很多研究将0 ℃或5 ℃作为植被生长季节的开始。也有研究表明,只有达到一定的积温后植被才开始进入生长季。需要指出的是,利用温度指标指示物候发生的前提是假设其仅受到温度的影响,但实际上植被物候往往受到多个要素的共同调控,如水热条件以及与辐射的协同作用。与此同时,不同类型植被的生理生态过程对热量的要求也存在差异。因此,单一的温度指标往往不足以准确指示植被的物候变化。

2.2.2 地面通量观测数据

作为直接测定植被冠层与大气之间CO2交换的方法,基于涡度相关技术的生态系统CO2通量观测不仅为生态系统生产力的评估提供了直接测定数据,并且由于生态系统碳通量的季节变化与植被的生长发育过程存在密切关系,从而为利用该数据提取生长季的开始与结束等物候指标提供了可能。一方面,由通量观测的总生态系统生产力可以获取植被生长季开始、生长季结束和生长季长度等物候指标。由于GEP表征了植被的光合能力,因此基于GEP获取的物候可称为“光合物候”。另一方面,由通量观测的净生态系统生产力可以获取净生态系统碳吸收期开始、碳吸收期结束和碳吸收期长度等物候指标。由于NEP表征了生态系统碳收支情况,因此基于NEP获取的物候可称为“碳吸收物候”。

由此可见,基于地面通量观测数据可以将植被物候变化与生态系统生产力的形成过程直接联系起来,从而在生态系统与变化研究中受到了越来越多的关注,特别是随着通量观测站点的日益增多,为在更大尺度上直接表征物候变化与生态系统生产力关系提供了可能。但需要指出的是,一方面,通量数据只能获取植被生长季节(或碳吸收期)的开始、结束和持续时间等指标,而不是传统的展叶、开花和结实等物候指标。另一方面,用于物候提取的阈值或导数方法更适用于GEP和NEP呈现单峰型季节变化的生态系统,如温带地区,但难以适用于GEP和NEP呈现多峰或无明显季节变化的生态系统,如干旱地区和热带地区。此外,通量数据的质量也会对物候指标提取的精度产生重要影响。

2.2.3 近地面遥感资料

通过在植被上方对冠层的自动高频拍照取样,并利用图像中红、绿、蓝波段的光谱信息得到可表征植被冠层动态的绿度指数(Greenness Index, GI)和色相(Hue)等参数, 实现对植被物候变化的连续监测。该方法与遥感技术有所类似,均是通过提取冠层光谱信息表征植被的动态变化。

然而近地面拍照技术的不足也十分明显,主要来自2个方面。一方面,由于绿度指数来源于图像光谱,因此其对天气情况的敏感性较强,不同天气下入射太阳辐射的差异对图像产生较大影响。另一方面,仪器的安装角度决定了观测的视角,视角的不同会对终的提取结果产生影响,特别是在不同站点,拍摄仪器的安装应采用统一的标准以避免产生采样误差。

2.2.4 卫星遥感影像

遥感影像中包含了地物的反射率信息,可以反映地物的不同变化,包括冰雪融化、植被盖度、植被冠层的生长等物理和生理生态的季节变化过程。遥感数据种类繁多,可用于检测植被动态的遥感产品主要有NOAA-AVHRR, SPOT-VGT和MODIS等低空间分辨率数据,以及HJ-CCD,北京一号,MSS,TM,ETM+和ASTER等国内外高空间分辨率的数据。

通过与植被特性相关的光合辐射波段和近红外波段的反射率,可以从遥感数据中得到归一化差值植被指数和增强植被指数,并通过反演得到叶面积指数等表征植被生长和物候变化的重要参数。与此同时,卫星遥感可以实现尺度的不间断监测,并可以获取气象站点和通量站点区域的物候变化信息, 以实现区域尺度上植被物候变化的动态监测,成为大尺度物候变化研究中常用的方法。

由于卫星遥感图像形成于外层空间,因此包含了云层、气溶胶等干扰。尽管采用了MVC(Maximum Value Composite)、滤波去噪等一系列方法进行质量控制, 但在物候提取中产生的影响依然存在。另外, 对于常绿生态系统, 由于反映冠层季节变化的植被指数的季节变化较小, 使得在这类生态系统获取的物候信息往往存在较大不确性。

物候作为一个综合指标,反映了气候变化对植物生长、群落结构和生态系统过程的影响。然而物候观测技术与研究方法的多样化、增加了植被物候与生态系统各过程之间关系的不确定性。

不同物候观测方法各有优势。人工地面观测拥有较长时段的植株水平的物候直接记录数据,而近地拍照和通量观测关注生态系统与景观尺度,卫星遥感技术则可以达到更大的区域和尺度,同时这3种方式均可以实现连续的自动观测。模型模拟虽然可以实现多时空尺度的模拟,但其适用性与准确性需要其他数据进行有效验证。将不同观测技术获取的物候信息相互融合,有助于物候研究不仅在空间尺度上延展,同时在时间跨度上延伸。

基于涡度相关和遥感技术的物候提取技术在寒带及温带生态系统中的应用较为广泛,而在其他地区生态系统中还有待进一步的验证及应用。另外,如何依据植被类型选取合适的提取方法也值得进一步研究。由于对于物候与植物内在生理条件和外在环境因子间的联系还缺乏深入的理解,通过物候模型获取物候指标的准确性还有待提高,尤其是在受到更为复杂因子作用的秋季物候的提取方面。

由于多源数据代表了不同的生理生态过程,同时不同的物候提取方法采用不同的判定标准,这些技术手段和方法反映了植被物候的不同侧面及属性,有利于更加全面地认识植被物候及其变化。另一方面, 不同研究方法在提取的物候指标间有所差异,并增加了植被物候研究中的不确定性。因此,合理评估多源数据和多种方法间植被物候的差异,并建立可相互比较与转换的处理方法体系,对于改进和完善植被物候观测具有重要的意义。 

北京博普特代理的法国Airphen多光谱成像系统广泛用于植物物候研究,结合了高分辨相机以及近地遥感研究方法,必将在物候研究中发挥更大的作用。

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